CN107911022A - 一种峰值电流型cuk开关变换器的控制系统 - Google Patents

一种峰值电流型cuk开关变换器的控制系统 Download PDF

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秦昌兵
陈啟宏
张白雪
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Abstract

一种峰值电流型cuk开关变换器的控制系统，其特征在于：包括cuk型开关电源功率级电路、电压环控制电路、电流环控制电路、占空比产生电路，电压环控制电路通过检测输出电压Vo和基准电压VREF的误差信号得到信号VEA_OUT，电流环电路通过检测功率管电流VSEN_OUT和斜坡信号VRAMP相加得到Vc，占空比产生电路将VEA_OUT和Vc进行比较产生占空比信号控制cuk型开关电源的功率管MN1的通断。本发明能提供较高的环路增益，能有效提高系统的负载调制率，补偿网络简单有效。

Description

一种峰值电流型cuk开关变换器的控制系统
技术领域
本发明涉及一种微电子技术领域，尤其是一种DC-DC开关电源，具体地说是一得集成电路内部的一种峰值电流型cuk开关变换器的控制系统。
背景技术
有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode OLED）具有柔软、透明、画质清晰、节能环保等特点，被视为是最具潜力的下一代新型平面显示技术。为最大限度增加发光的亮度考虑，OLED显示器的阴极需要负电压进行供电，从而负压芯片的设计成为这一领域的主流趋势。cuk电路采用直流斩波技术，具有输出电流纹波低的特点，这也使得cuk变换器在对纹波要求很高的场合有着广泛的应用前景。
目前传统cuk变换器普遍采用的是单周期控制方式，但单周期控制方式不是严格意义上的闭环系统，因此其环路增益低，调节能力差，不适用对输出电压精度要求很高的场合。
发明内容
本发明的目的是针对现有有单周期控制的cuk型开关变换器存在的环路增益低，调节能力差，不适用对输出电压精度要求很高的场合的问题，设计一种峰值电流型cuk开关变换器的控制系统，从而使得环路构成一个闭环控制系统，通过补偿功率级的零极点，使得cuk型开关变换器保持稳定。
本发明的技术方案是：
一种峰值电流型cuk开关变换器的控制系统，其特征在于：包括cuk型开关电源功率级电路、电压环控制电路、电流环控制电路、占空比产生电路，电压环控制电路通过比较输出电压Vo和基准电压VREF得到误差信号VEA_OUT，电流环电路通过检测功率管电流VSEN_OUT和斜坡信号VRAMP相加得到Vc，占空比产生电路将VEA_OUT和Vc进行比较产生占空比信号控制cuk型开关电源的功率管MN1的通断。
所述cuk型开关电源功率级电路包括输入电感L1、输出电感L2、输入电容C1、输出电容C2、功率管MN1、续流二极管D1、负载电阻Ro和反馈电阻串R1、R2。输入电感L1的一端与电源电压VDD相连，另一端连接输入电容C1的一端和功率管MN1的漏极；输入电容C1的另一端连接输出电感L2的一端和续流二极管D1的正向端，D1的负端接地；输出电感L2的另一端接输出滤波电容C2的一端作为输出电压Vo，输出电容C2的另一端接地；负载电阻Ro一端接到输出电压Vo端，另一端接地。整个功率级中输入电感L1、输入电容C1和功率管MN1组成功率级的第一级；输出电感L2、输出电容C2以及续流二极管和负载电阻Ro组成的功率级的第二级。
所述电压环控制电路包括反馈电阻R1和R2、误差放大器EA、补偿电阻Rc和补偿电容Cc，反馈电阻R1和R2串联对电源电压VDD和输出电压Vo进行分压，产生反馈信号VFB，误差放大器EA的正相端连接反馈信号VFB，负相端连接到基准电压VREF，补偿电阻Rc和补偿电容Cc串联，一端接误差放大器的输出端VEA_OUT，另一端接地。
所述电流环控制电路包括检测电阻Rs，放大器E1，振荡器和斜坡发生器，检测电阻Rs的一端接cuk功率管MN1的源端和放大器E1的同相端，另一端接地，放大器E1的反相端接地，放大器E1检测电阻Rs两端的电压输出VSEN_OUT，振荡器产生方波信号，输出给斜坡发生器，斜坡发生器据此产生一定频率的斜坡信号VRAMP，VSEN_OUT和VRAMP相加后得到Vc。
所述占空比产生电路包括比较器COMP，RS触发器，驱动电路，比较器COMP将VEA_OUT和Vc比较后输出到RS触发器的R端，RS触发器的S端接振荡器输出的时钟信号，RS触发器的输出的占空比信号通过驱动电路增强驱动能力后接到功率管MN1的栅极。
本发明的优点及显著效果：
（1）本发明针对cuk型开关变换器提供了一种闭环控制系统，该控制系统能提供较高的环路增益，能有效提高系统的负载调制率。
（2）本发明的峰值电流控制电路通过引入零极点去补偿cuk变换器功率级的一对共轭极点，补偿网络简单有效。
附图说明
图1是本发明峰值电流型控制电路的电原理示意图。
图2是本发明的控制电路正常工作时cuk电路各点的波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1-2所示。
一种峰值电流型cuk开关变换器的控制系统，它包括cuk型开关电源功率级电路、电压环控制电路、电流环控制电路、占空比产生电路。如图1所示。其中：
cuk型开关电源功率级电路包括输入电感L1、输出电感L2、输入电容C1、输出电容C2、功率管MN1、续流二极管D1、负载电阻Ro和反馈电阻串R1、R2。输入电感L1的一端与电源电压VDD相连，另一端连接输入电容C1的一端和功率管MN1的漏极；输入电容C1的另一端连接输出电感L2的一端和续流二极管D1的正向端，D1的负端接地；输出电感L2的另一端接输出滤波电容C2的一端作为输出电压Vo，输出电容C2的另一端接地；负载电阻Ro一端接到输出电压Vo端，另一端接地。整个功率级中输入电感L1、输入电容C1和功率管MN1组成功率级的第一级；输出电感L2、输出电容C2以及续流二极管和负载电阻Ro组成的功率级的第二级。
电压环控制电路包括反馈电阻R1和R2、误差放大器EA、补偿电阻Rc和补偿电容Cc，反馈电阻R1和R2串联对电源电压VDD和输出电压Vo进行分压，产生反馈信号VFB，误差放大器EA的正相端连接反馈信号VFB，负相端连接到基准电压VREF，补偿电阻Rc和补偿电容Cc串联，一端接误差放大器的输出端VEA_OUT，另一端接地。见图1虚线框所示。
电流环控制电路包括检测电阻Rs，放大器E1，振荡器和斜坡发生器，检测电阻Rs的一端接cuk功率管MN1的源端和放大器E1的同相端，另一端接地，放大器E1的反相端接地，放大器E1检测电阻Rs两端的电压输出VSEN_OUT，振荡器产生方波信号，输出给斜坡发生器，斜坡发生器据此产生一定频率的斜坡信号VRAMP，VSEN_OUT和VRAMP相加后得到Vc。见图1虚线框所示。
占空比产生电路包括比较器COMP，RS触发器，驱动电路，比较器COMP将VEA_OUT和Vc比较后输出到RS触发器的R端，RS触发器的S端接振荡器输出的时钟信号，RS触发器的输出的占空比信号通过驱动电路增强驱动能力后接到功率管MN1的栅极。
本发明的工作过程如下：
当时钟CLK的上升沿到来时，RS触发器的输出端Q置位“1”，此时功率管MN1导通，电源电压VDD沿图1中所示路径1给输入电感L1充电，输入电容C1和输出电容C2沿图1中所示路径2给输出电感L2充电，输出电压Vo开始下降，电感L1和L2中的电流开始线性上升，此时电流环检测电阻Rs和放大器E1开始检测流过功率管MN1的电流IL，同时斜坡信号VRAMP从零开始上升，两者的叠加的信号Vc也开始上升，当Vc与误差放大器的输出VEA_OUT相交时，比较器发生反转，开关闭合，于此同时MOS管MN1断开，电源电压VDD和输入电感L1沿图1中所示路径3给输入电容C1充电，输出电感L2沿图1中所示路径4给输出电容C2充电，输出电压开始上升，同时电感L1和L2中的电流开始线性下降，直至下个时钟的上升沿到来为止。
图2展示了正常工作时cuk电路各点的波形图，可以看到电路产生稳定的占空比和输出电压。
本发明的特点及内容已揭示如上，然而本领域的技术人员可能基于本发明的说明而做种种不背离发明精神的替换及修改。因此，本发明的保护范围应不局限于上述的实施方案，而应包含各种不背离本发明的替换和修改，并为权利要求书所涵盖。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种峰值电流型cuk开关变换器的控制系统，其特征在于：包括cuk型开关电源功率级电路、电压环控制电路、电流环控制电路、占空比产生电路，电压环控制电路通过检测输出电压Vo和基准电压VREF的误差信号得到信号VEA_OUT，电流环电路通过检测功率管电流VSEN_OUT和斜坡信号VRAMP相加得到Vc，占空比产生电路将VEA_OUT和Vc进行比较产生占空比信号控制cuk型开关电源的功率管MN1的通断。
2.根据权利要求1所述的峰值电流型cuk开关变换器的控制系统，其特征在于：所述cuk型开关电源功率级电路包括输入电感L1、输出电感L2、输入电容C1、输出电容C2、功率管MN1、续流二极管D1、负载电阻Ro和反馈电阻串R1、R2；输入电感L1的一端与电源电压VDD相连，另一端连接输入电容C1的一端和功率管MN1的漏极；输入电容C1的另一端连接输出电感L2的一端和续流二极管D1的正向端，D1的负端接地；输出电感L2的另一端接输出滤波电容C2的一端作为输出电压Vo，输出电容C2的另一端接地；负载电阻Ro一端接到输出电压Vo端，另一端接地；整个功率级中输入电感L1、输入电容C1和功率管MN1组成cuk型开关电源功率级电路的第一级；输出电感L2、输出电容C2以及续流二极管和负载电阻Ro组成cuk型开关电源功率级电路的第二级。
3.根据权利要求1所述的峰值电流型cuk开关变换器的控制系统，其特征在于：所述电压环控制电路包括反馈电阻R1、电阻R2、误差放大器EA、补偿电阻Rc和补偿电容Cc，反馈电阻R1和电阻R2串联对电源电压VDD和输出电压Vo进行分压，产生反馈信号VFB，误差放大器EA的正相端连接反馈信号VFB，负相端连接到基准电压VREF，补偿电阻Rc和补偿电容Cc串联，一端接误差放大器EA的输出端VEA_OUT，另一端接地。
4.根据权利要求1所述的峰值电流型cuk开关变换器的控制系统，其特征在于：所述电流环控制电路包括检测电阻Rs，放大器E1，振荡器和斜坡发生器，检测电阻Rs的一端接cuk功率管MN1的源端和放大器E1的同相端，另一端接地，放大器E1的反相端接地，放大器E1检测电阻Rs两端的电压后输出电压信号VSEN_OUT，振荡器产生方波信号，输出给斜坡发生器，斜坡发生器据此产生一定频率的斜坡电压信号VRAMP，电压信号VSEN_OUT和斜坡电压信号VRAMP相加后得到输出电压信号Vc。
5.根据权利要求1所述的峰值电流型cuk开关变换器的控制系统，其特征在于：所述占空比产生电路包括比较器COMP，RS触发器，驱动电路，比较器COMP将差放大器EA的输出端信号VEA_OUT和输出电压信号Vc比较后输出到RS触发器的R端，RS触发器的S端接振荡器输出的时钟信号，RS触发器的输出的占空比信号通过驱动电路增强驱动能力后接到功率管MN1的栅极。
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